Солнечное отопление в условиях нашего климата
Прочитав название статьи многие наверняка подумали: если бы можно было топить дом солнечной энергией в условиях климата России, то наверняка этим бы занимался если не каждый, то через одного. А такого не наблюдается. И ведь правда, а почему так? Давайте разбираться.
Начнем с основного — сколько солнечной энергии падает на 1 м2 площади в год. Есть такая карта:
Суммарная (прямая и рассеянная) солнечная радиация на горизонтальную поверхность при действительных условиях облачностиза месяц, кВт/м2
| Самарская обл. | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Самара | 22.8 | 45 | 85.6 | 125.7 | 176.3 | 183.5 | 177.6 | 147.9 | 94.5 | 47.0 | 21.7 | 15.6 |
Получается в год 1143,2 кВт/м2
Много это или мало? Если брать тепловую составляющую солнца например через солнечный плоский коллектор ЯSOLAR ( КПД 83%), то 1 м2 в год принесет 1143,2*0,68=948,9 кВт тепловой энергии. Если пересчитать на стоимость тарифа от центрального отопления для г. Самары стоимость генерируемого тепла с 1 м2 будет равна:
1959р/Гкал /1163кВт *948.9 кВт = 1598 р/м2*год. Стоимость коллектора ЯSOLAR — 11000р/м2. Срок окупаемости — 7 лет.
В качестве эталона возьмем дом общей площадью 148 кв. м (проект X148) и утепленный соответственно СНиП. В самый холодное время для обогрева помещения понадобится порядка 100 Вт/м². Примем средний расход энергии за 50 Вт/м². Отопительный сезон длится 7 месяцев (214 дней). При непрерывном отоплении получаем:
148 м²•50 Вт/м²•24 ч•203 дн = 38520 кВт•ч, ( 33 Гкал).
Площадь солнечных коллекторов, если не учитывать теплопотери на хранение тепла и потребности в горячей воде (100 л/чел в день) , составит 41 м2*11000=451000 руб. Сумма не малая. Но затраты на отопление за отопительный сезон составят 33.0 Гкал*1959 р=64647 р. И это по самым скромным подсчетам. Срок окупаемости 7 лет. А дальше вы будете получать прибыль в размере 64647 р в год просто не платя за отопление.
Но это пересчет на условия городского централизованного отопления, которое стоит в пересчете 1р 68 коп за кВт . Отопление газом выходит дороже. А как быть например с печным отоплением дровами?
Удельная низшая теплота сгорания абсолютно сухих дров составляет 4440 ккал/кг. При естественной сушке в течение около двух лет остаточная влажность древесины составляет 20%, удельная теплота сгорания – 3400 ккал/кг. КПД твердотопливного котла примем за 70%. Вычисляем необходимое количество дров: 33000ккал•1000/3400ккал/кг/ 0,7/0,730 кг/м³≈19 м³, где 0,730 кг/м³, — плотность дубовой древесины. В перерасчете на клен или березу искомая величина составляет 21,3 м³, на сосну – 26,4 м³. Стоимость отопления дровами (например дуб) — 1500р/м3*19м3=28500 р, что значительно дешевле,чем отопление газом и от теплоцентрали. И сразу возникает мысль объединить например солнечное отопление с дровяным. И это является достаточно распространенным явлением для Европы, которая живет в условиях нарастающего энергетического кризиса.
Но здесь не все гладко. Ведь поступление солнечной энергии находится в обратной зависимости от потребности в тепле на отопление: летом тепла не надо, а зимой необходимо. И тут самая большая загвоздка. Как накапливать тепло, когда оно не нужно и расходовать, когда необходимо? Решение есть, но оно весьма громоздкое — устройство теплоаккумуляторов, способных беречь тепло до точки его потребления. Разберем это по подробней, ведь в этом и кроется не распространенность солнечного отопления.
Рассмотрим дом (проект X148). Мы разработали несколько моделей энергоэффективных домов, в которых при желании можно реализовать концепцию пассивного дома. На примере этого дома разберем все в цифрах. Итак, дом общей площадью 148 м2. Если выполнить ограждающие конструкции по нормам, то затраты тепла в пике(-30 С в течении 5 дней) составят 22,5кВт/ч. По данным калькулятора годовой расход тепловой энергии на наш дом составляет 27760 кВт.
По данным таб. 36(1) требуемый удельный годовой расход тепловой энергии на отопление для 2-х этажного здания площадью 148 м — 165 кВт*ч/м2. Данные по калькулятору немного выше. Годовой расход тепловой энергии составляет 27760 кВт*ч. Расчитаем, какой объем воды имеет такие энергетические показатели.
Удельная теплоемкость воды при 20° Cуд = 4,18 кДж/кг•°C или ~1 ккал/кг•°C
Разницу температур возьмем Т = 100-30 = 70°C
Удельный вес г = 1000 кг/м3
Объем v = 1 м3
И количество запасенной энергии при таких условиях:
Э = C*Т*v*г = 1*70*1*1000 = 70000 ккал = 81,4 кВт-ч. Это количество энергии в 1 м3 воды отдающей тепло и падая в температуре со 100 до 30 С.
А нам необходимо 27760 кВт*ч, значит объем емкости теплоаккумулятора, не учитывая теплопотерь до момента начала использования, будет :
27760/81,4=341,0 м3!!! Это емкость(при высоте 6 м) в плане 7,5х7,5 м. Т.е под емкость надо отдать 112 м2 жилой площади из 148м2.
И на этом скептики как правило заканчивают свои изыскания в области солнечного отопления.
Да, у нас суровый климат. В году приходится жить с отоплением для Самары — 207 дней из 365 (57%).
Компании производители рекомендуют исходить из таких цифр:
Остальное необходимое тепло должно вырабатывать стандартное отопительное оборудование. Тем не менее при таких показателях в год экономится в среднем около 40% на отоплении и горячем водоснабжении.
Но солнцем все таки можно топить, если уменьшить потери тепла. Вот ссылка на статью о реализованном пассивном доме. Эффективность примененных пассивных технологий в общем отоплении дома составила 57%. Нагрев внутреннего воздуха через панорамные окна зимними днями, эффективная теплоизоляция, отсечка буферных помещений от основного жилого пространства дало разницу в температурах наружного и внутреннего воздуха до 12-20 С. И это вообще без отопления! Средняя температура за зиму выше 0 С.
Мы просчитали наш дом (Х149) на предмет теплопотерь, добавив утеплителя (для стен толщина утеплителя 300 мм, для чердачного перекрытия — 400 мм, для плиты — 200 мм), убрали инфильтрацию через окна, применили энергосберегающие окна. Результат составил 8,2 кВт*ч на все здание. И это в пик нагрузки — минус 30С в течении 5 дней.
.
Для сравнения приводим расчет с нормативными требованиями к ограждающим конструкциям:
Как видим разница в общих теплопотерях составила 8,2/22,54*100%=36,5%(больше трети).
Посчитаем, какой объем емкости теплоаккумулятора нужен теперь:8200/81,4=100.0 м3!!! При высоте 6 м в плане4,0х4,0 м. Т.е под емкость надо отдать не 112 м2как ранее, а лишь 32 м2 на двух этажах. И это уже реальней. И напомним, что мы считаем полное отопление солнцем.
По стандарту Института Пассивного дома удельный расход тепловой энергии на отопление пассивного дома,
определенный с помощью «Пакета проектирования пассивного дома»(РНРР), не должен превышать 15 кВт·ч/(м2·тод), т.е общее потребление тепла в год составит — 15*148=2220 кВт*ч/год. Емкость теплоаккумулятора при этом составит 2220/81,4=27,3 м3, что при высоте 6 м в плане имеет размер 2,1 х 2.1 м. И это уже совсем реально, учитывая то, что в самые холодные дни емкость можно подтапливать палетами, тепловыми насосами или газом.
Выводы: солнечное отопление в основном используется для подогрева теплой воды в доме и бассейнов. В отоплении солнечные коллекторы используются частично(порядка 30%) из за больших теплопотерь ограждающих конструкций, выполненных согласно требованиям норм и несовершенности проектных решений.
Применение технологий пассивного домостроения в совокупности с технологиями активного дома позволят перейти на солнечное отопление если не полностью, то на значительную часть от общего объема затрат энергии на отопление. И тут на самом деле вопрос стоит только в том, сколько будущий хозяин дома может вложить средств в данную систему.
Литература
